Розроблення багатоконтурної системи регулювання хлібопекарської печі на базі контролера TSX Micro

«Розроблення багатоконтурної системи регулювання хлібопекарської печі на базі контролера TSX Micro«

Зміст

Вступ

1. Вибір і обґрунтування критерію управління

2. Аналіз статичних та динамічних властивостей ТОУ та вибір каналів управління

3. Розробка структури системи та розрахунок її параметрів

4. Програмно-конфігураційна схема системи Висновки Література

Вступ

Сьогодні, коли науково-технічний прогрес крок за кроком досягає свого найвищого розвитку, для забезпечення найшвидкого та найякіснішого виробництва у харчовій промисловості практично всі процеси є автоматизованими, тобто участь людини у них зводиться до мінімуму, а саме: роботи за пультом оператора, слідкування плину процесу на моніторі комп’ютера та відповідного реагування, натискаючи певні кнопки.

Основні переваги автоматизації полягають у можливостях забезпечити:

— зростання продуктивності та поліпшення умов праці;

— виконання робіт у важкодоступних чи взагалі недоступних людині сферах;

— підвищення точності, якості технологічних процесів і відповідних виробів.

За рахунок впровадження автоматизації на сучасному етапі розвитку людства досягають зростання показників ресурсозбереження, поліпшення екології навколишнього середовища, якості та надійності продукції.

Важливим засобом підвищення продуктивності праці, а також скорочення витрати матеріалів та енергії, і підвищення надійності роботи є автоматизація технологічних процесів. Особливого значення набуває автоматизація в хлібопекарської промисловості. На сучасному етапі розвитку хлібопекарського виробництва, основаного на неперервності технологічного процесу з використанням в основному обладнання неперервної дії, є всі посилання для комплексної і повної автоматизації. Автоматизація хлібопекарського виробництва забезпечує якісну і ефективну роботу технологічних дільниць тільки в випадку комплексного підходу до рішення цієї задачі. При такому підході слід підготовити до автоматизації технологічне обладнання, технологію і вибрати необхідні засоби автоматизації для головних і допоміжних процесів.

Закон регулювання дає змогу спростити з точки зору оператора нагляд та втручання в процес, збільшити швидкодію та більш плавне регулювання тієї чи іншої величини.

У наш час в основі теперішніх засобів автоматизації лежить використання мікропроцесорної техніки: інтелектуальних датчиків, пристроїв керування, функціональних блоків, засобів відображення інформації, операторських панелей та ін., які дозволяють значно покращити якість управління процесом, дають більш широку інформацію та зменшують навантаження оператора.

Ці мікропроцесорні засоби в поєднанні з законами регулювання можуть значно зменшити витрати сировини та полегшити процес регулювання.

1. Вибір і обґрунтування критерію управління

При розробці та функціонуванні системи автоматичного управління виникає потреба у виборі та формулюванні критерію управління, за допомогою якого оцінюється якість роботи даної системи автоматичного регулювання. Вибір критерію управління визначається конкретною виробничою ситуацією та поставленими вимогами до продукту і самого обладнання. Розглядаючи процес випічки хліба, мету автоматизації наближено можна сформулювати наступним чином: необхідно отримати хліб належної якості у великій кількості при малій собівартості.

Існують такі критерії управління:

— час регулювання,

— динамічна помилка,

— ступінь затухання.

Ці критерій не можуть бути використані для управління процесом регулювання тунельною пічкою, тому що вони оптимізують процес тільки з одного боку, не враховуючи інших показників. Так, наприклад, якщо взяти за основу критерію управління час регулювання, то ми не будемо враховувати ступінь затухання і динамічну похибку, що є не менш важливими. Саме тому цей критерій і недоцільно використовувати.

На рівні виробництва найкраще використовувати інтегрально квадратичний критерій якості, який задовольняє техніко-економічнім показникам якості.

Існують більш складні критерії управління :

— лінійний інтегральний критерій управління,

— інтегрально квадратичний критерій управління.

Виходячи з техніко-економічних показників, найдоцільнішим є застосування більш складного критерію управління з обмеженнями. У даному випадку обмеженнями виступають стала часу, динамічна похибка (перша амплітуда). Вони впливають на процес та ресурси управління, тому їх необхідно зменшити, щоб значно зменшити витрати.

Так як нам необхідно прийняти ці два показники одночасно в якості оптимального перехідного процесу вибираємо процес з мінімальною інтегральною оцінкою (мінімальною площею регулювання). Тому найчастіше використовується інтегральний квадратичний критерій — це пов’язано з тим, що якість перехідного процесу фактично визначається площею під лінією перехідного процесу. Квадратичний критерій використовується частіше, тому що дає можливість оцінити різні за знаком відхилення. Тобто, для того, щоб коливання протилежного знака не зменшували значення інтеграла при знаходженні площі регулювання значення змінної беремо в квадраті.

І мінімізуємо інтегрально квадратичну оцінку:

Приймаючи як критерій управління інтегрально квадратичний критерій, так як збільшення приводить до мінімізації площі під кривою і в той же час збільшується коливальність процесу.

Реалізація такого процесу регулювання приводить до мінімальних технологічних витрат.

Таблиця 1. Технологічні вимоги до регульованих змінних процесу

Рис. 1. Параметрична схема об'єкта

2. Аналіз статичних та динамічних властивостей ТОУ та вибір каналів управління

Аналіз статичних і динамічних характеристик ТОУ виконуємо на основі математичної моделі тунельної хлібопекарської печі, яка була розроблена в курсовому проекті з ідентифікації та моделювання.

Математична модель тиску і температури в хлібопекарській печі.

де — температура димових гріючих газів, єС;

— витрата палива, м³/год.;

— витрата газу рециркуляції, м³/год.;

— температура газу рециркуляції, єС;

Pпарціальний тиск пари, кПа;

tтемпература середовища в печі, С;

Gвитрата пари на зволоження, кг/год.;

Gвитрата хліба, кг/год.;

tтемпература димових газів, кг/год.;

х₂ — ступінь сухості пари,%.

Для того щоб відокремити управляючі та збурюючи дії, треба провести аналіз динамічних характеристик ТОУ. Для цього аналізу складемо таблицю, у якій наведемо вхідні дії об'єкта та технологічні вимоги до регульованих змінних процесу:

Таблиця 2. Вхідні дії на об`єкт

Визначимо, що є керуючою дією, а що збуренням. Очевидно, що вплив збурення повинен бути меншим, чим вплив управління. Тому необхідною і достатньою умовою регулювання об'єкта є виконання нерівності:

Виходячи з математичної моделі визначаємо:

Зміна P по каналу G: — 59.5 кПа*год./кг;

G: — 4.9 кПа*год./кг;

зміна t по каналу G: — 8.1?С*год./кг;

G: — 142? С*год./кг;

Р: — 9? С/кПа;

Х₂ : — 2.6 ?С/%;

t: — 170? С/?С.

Зміна по каналу -18,5?С*год./кг;

— 18? С*год./кг;

— 16,2?С/?С.

Виходячи з розрахунків, робимо висновок про те, що на Pнайбільше впливає витрата пари (G_п.), тому її доцільно обрати управліннями. На t найбільше впливає температура димових газів (t_г), яка, в свою чергу, найсуттєвіше залежить від витрати палива (), що і оберемо управляючою дією. Основним збуренням по каналу P_п буде витрата хліба G; основним збуренням по каналу t, буде також витрата хліба G, яке є основним навантаженням.

3. Розробка структури системи та розрахунок її параметрів

автоматизований регулювання піч компенсатор Для забезпечення необхідної роботи об'єкта управління сформуємо замкнену систему регулювання за відхиленням, як найбільш розповсюджену в промисловості.

Основним критерієм при виборі регулятора є точність підтримки ним параметра на заданому рівні.

Статична похибка по технологічним вимогам для P не повинна перевищувати ±0.025 кПа; для t- ± 1? С. Реалізуємо систему автоматичного регулювання за допомогою ПІ-регулятора.

Контур регулювання парціального тиску пари складається з датчика (К=1 кПа, Т=3 с, так парціальний тиск мало інерційна величина), ПІ-регулятора. Зона нечутливості датчика ±0.1 кг/год., зона насичення: +57 год./кг, — 77 год./кг.

Контур регулювання температури середовища в печі складається з датчика (К=1?С, Т=100 с, багато інерційна величина) та ПІ-регулятора. Зона нечутливості датчика ±0.1 кг/год., зона насичення: +33 год./кг, — 46 год./кг.

Оптимальні настройки ПІ-регулятора знайдемо за допомогою метода Циглера-Нікольса, призначеного для визначення настройок регуляторів, що забезпечують мінімум інтегрально-квадратичного критерію.

Відповідно до цього методу виконаємо наступні дії:

— розрахунок критичної настройки АСР з П-регулятором, за якою система перебуватиме на межі стійкості;

— визначення за значеннями критичного коефіцієнта передачі регулятора К_р.кр і періодом незатухаючих коливань Т_к оптимальних настройок за формулами:

К_р.опт=0,35· К_р.кр

Т_і=1,25· Т_к

Рис. 2. Структурна схема замкненої АСР з ПІ-регуляторами Змінюючи поступово коефіцієнт передачі К_р система опинилась на межі стійкості за таких значень:

— по каналу P_п: К_р.кр= 75; Т_к= 325с.

— по каналу t_c: К_р.кр= 65; Т_к= 325с.

Визначаємо оптимальні настройки ПІ-регулятора за такими формулами:

— по каналу P_п: К_р.опт=0,35· К_р.кр= 26.25; Т_і=1,25· Т_к=403с.

— по каналу t_c: К_р.опт=0,35· К_р.кр= 22.75; Т_і=1,25· Т_к=403с.

Так як за аналітично визначеними настройками система не відповідає якісним показникам, уточнимо ці настройки дослідним шляхом. У результаті отримаємо оптимальні настройки регуляторів:

— по каналу P_п: К_р.опт= 30; Т_i= 10 с.

— по каналу t_c: К_р.опт.= 26; Т_i= 400 с.

Всі перехідні процеси зняті при дії основного збурення, яким є витрата хліба — 445 кг/год., як для каналу регулювання температури середовища, так і для каналу регулювання парціального тиску пари.

Перехідні процеси по каналу t_с

Рис. 3. Перехідний процес в одноконтурній САР

з ПІ-регулятором по каналу t_с з оптимальними настройками регулятора ;

к_р.опт1= 26, Т_і.опт1=400с, І₁=289 С²*с Рис. 4. Перехідний процес в одноконтурній САР з ПІ-регулятором по каналу t_с з настройками регулятора ;

к_р1= 31.2, Т_і1 =400с, І₁=310 С²*с Рис. 5. Перехідний процес в одноконтурній САР з ПІ-регулятором по каналу t_с з настройками регулятора ;

к_р1= 20.8, Т _і1=400с, І₁=298 С²*с

Перехідні процеси по каналу Р_п

Рис. 6. Перехідний процес в одноконтурній САР з ПІ-регулятором по каналу Р_п з настройками регулятора ;

к_р.опт2=30, Т_і2 =10с, І₂=490 Па^2*с Рис. 7. Перехідний процес в одноконтурній САР з ПІ-регулятором по каналу Р_п з настройками регулятора ;

к_р2=36, Т_і2 =10с, І₂=566 Па^2*с Рис. 8. Перехідний процес в одноконтурній САР

з ПІ-регулятором по каналу Р_п з настройками регулятора ;

к_р2=24, Т_і2 =10с, І₂=519 Па^2*с При оптимальних настройках регулятора маємо такі показники по каналу? t_с:

динамічна похибка — 80єС, I=289 єС²*с;

по каналу? Р:

динамічна похибка — 0,52 кПа, I=490 Па²*с.

Для покращення процесу розробимо багатоконтурну систему, для цього розрахуємо компенсатори.

Передаточна функція компенсатора при підключенні його до входу в ТОУ визначається передатними функціями об'єкта за каналами збурення і керування:

; .

;

;

неможливо реалізувати фізично, так як ступінь полінома чисельника передаточної функції компенсатора вищий ступеня полінома знаменника, тобто повинен містити ідеальну диференціальну ланку. Тому реалізуємо лише другий компенсатор, який компенсує дію збурення по каналу Р_п.

Рис. 9. Перехідний процес в автономній САР по каналу P_n з компенсатором (к_п=0.157), I=425 Па²/с У результаті використання компенсатора отримали зменшення динамічної похибки, яка тепер становить 0,5 кПа та зменшення інтегрального квадратичного критерію на 65кПа²*с.

Рис. 10. Структурна схема комбінованої САР

4. Програмно-конфігураційна схема системи

У даному розділі для реалізації структури використаємо контролер типу «TSX Micro 3722», який розрахований на встановлення 5 аналогових та дискретних модулів входів-виходів і містить додатково 8 вмонтованих аналогових входів та 1 аналоговий вихід. Регулювання здійснюємо за допомогою використання бібліотечного алгоритму PID та використанням SERVO для отримання на виході з дискретного модуля сигналу «більше», «менше» для виконавчого механізму типу МЕО.

Вимірювальний канал фактично включає в себе:

· датчик;

· TSX AEY 802 модуль контролера, який працює з вхідними аналоговими сигналами по струму 0…20 або 4…20 мА;

· TSX DSZ 08R5 -модуль дискретних виходів ±24 В постійного струму або (24−240)В змінного струму до струму комутації 3А;

· виконавчий механізм типу МЕО;

· регулюючий орган.

Рис. 12. Структурна схема ПІД-регулятора з під'єднанням на виході блоком SERVO

Рис. 13. Схема дії каналу регулювання температури? t_с

Рис. 14. Схема дії каналу регулювання тиску? Р Так як у даній курсовій роботі ми застосовуємо виконавчий механізм типу МЕО, а він у формуванні закону ПІ регулювання розглядається як інтегральна ланка, саме тому К_п знаходимо за формулою К_ІВК К_п = К_р

де К_р — коефіцієнт передачі регулятора, одержаний при моделюванні.

З рівняння знаходимо необхідне значення К_{п1, 2};

.

1. Для температури К_івк= К_tc

_;

К_івк=.

2. Для тиску К_івк= К_Pn.

К_івк=133.3

Знаючи, що К_р1 =26 К_р2 =30 знайдемо із формули:

;

.

Висновки

У даному курсовому проекті розроблено систему автоматичного регулювання хлібопекарської печі. Об'єкт має два канали регулювання: парціальний тиск пари (P_п) та температура середовища в печі(t). Проаналізуваваши математичну модель об'єкта, обрали:

— по першому каналу в якості управляючої дії витрату пари на зволоження (G_n.), а основне збурення — витрату хліба (G_х);

— по другому каналу в якості управляючої дії витрату палива (G_пал), а основне збурення — витрату хліба (G_х).

Розроблена структура одноконтурної та багатоконтурної АСР з ПІ-регулятором. Експериментальним методом визначені оптимальні настройки регуляторів:

— по каналу P_п: К_р.опт.2= 30; Т_i2= 10 с.

— по каналу t_c: К_р.опт.1= 26; Т_i1= 400 с.

Також розрахований компенсатор для покращення якості перехідних процесів. Інтегральні квадратичні критерії становлять І₁=289С²*с, I₂=490Па²*с відповідно.

Розроблену структуру реалізовано на базі контролера TSX Micro.

Література

1. Трегуб В. Г., Ладанюк А. П. Проектирование, монтаж и эксплуатация систем автоматизации пищевых производств. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1980.

2. Автоматизация технологических процессов пищевых производств. Учебник для вузов / под ред. Е. Б. Карпина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Агропромиздат, 1985.

3. Автоматизація технологічних процесів і виробництв харчової промисловості: Підручник / А. П. Ладанюк, В. Г. Трегуб, І.В. Ельперін, В. Д. Цюцюра. — К.: Аграрна освіта, 2001.

4. Методичні вказівки до виконання курсової роботи (3048).

5. Ельперін І.В. Промислові контролери. Ч. 2. — К.: НУХТ, 2007. — 106 с.